KR20090065817A - Digital if design and verification method for high throught wireless communication system using multiple antenna - Google Patents

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KR20090065817A
KR20090065817A KR1020070133322A KR20070133322A KR20090065817A KR 20090065817 A KR20090065817 A KR 20090065817A KR 1020070133322 A KR1020070133322 A KR 1020070133322A KR 20070133322 A KR20070133322 A KR 20070133322A KR 20090065817 A KR20090065817 A KR 20090065817A
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이일구
강헌식
정민호
송유승
이석규
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한국전자통신연구원
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Abstract

A method for designing and verifying a DIF for a giga-class high speed wireless communication system using a multiple antenna is provided to transmit eight streaming signals at the same time by using eight multiple antennas. A high speed wireless communication system uses an orthogonal frequency division multiplex modulation mode. The high speed wireless communication system includes a multiple antenna. The high speed wireless communication system enhances frequency use efficiency by using a DIF(Digital Intermediate Frequency) structure applying a band expansion. The high speed wireless communication system includes a high speed data processing part which minimizes the number of connection lines of a base band module and a DIF module by using an ultra high speed module. The high speed wireless communication system supports a multiple antenna technique of a modem by applying a multiple DIF channel.

Description

다중 안테나를 이용한 기가급 고속 무선 통신 시스템을 위한 DIF 설계 및 검증 방법{DIGITAL IF DESIGN AND VERIFICATION METHOD FOR HIGH THROUGHT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM USING MULTIPLE ANTENNA}DIIF DESIGN AND VERIFICATION METHOD FOR HIGH THROUGHT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM USING MULTIPLE ANTENNA}

본 발명은 다중 안테나를 이용한 기가급 고속 무선 통신 시스템을 위한 DIF 설계 및 검증 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a DIF design and verification method for a giga-class high-speed wireless communication system using multiple antennas.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2006-S-002-02, The present invention is derived from a study conducted as a part of the IT growth engine core technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Telecommunication Research and Development.

과제명 : 3Gbps급 4G 무선 LAN 시스템 개발].Title: Development of 3Gbps 4G Wireless LAN System].

본 발명은 직교 주파수 분할 변조 방식 및 다중 안테나를 이용한 기가급 고속 무선 통신 시스템을 위한 DIF (Digital Intermediate Frequency) 모듈 설계 및 검증 방법에 관한 것이다. 종래에는 멀티미디어 콘텐츠를 고속으로 전송할 수 있는 다중 안테나 기술에 대해 학문적인 연구가 주를 이루어 왔고, 최근 와이브로와 무선랜 등, 다중 안테나를 적용한 상용 제품들이 등장하기 시작했다. 하지만 송수신단 안 테나 수로 2개 내지 3개 정도를 적용하고 밴드폭이 40MHz를 넘지 못 하여 수백 메가급의 전송 속도가 한계 채널 용량이 되었고, 최근 VHT (Very High Throuhgput) 태스트 그룹에서 기가급 무선 통신 시스템에 대한 연구 분위기가 조성되고 있어 이와 같은 모뎀 기술을 지원해 줄 수 있는 초고속 대용량 DIF 모듈 구조 설계가 필요하게 되었다. 본 발명은 아나로그 디지털 변환기 및 디지털 아나로그 변환기 기술과 초고속 데이터 신호 처리 기술, 그리고 필터 기술을 포함한 다양한 신호 처리 기술이 요구된다.The present invention relates to a design and verification method of a digital intermediate frequency (DIF) module for a giga-class high-speed wireless communication system using an orthogonal frequency division modulation scheme and multiple antennas. In the past, academic research has been focused on multi-antenna technology capable of transmitting multimedia contents at high speed, and commercial products including multi-antenna such as WiBro and wireless LAN have recently begun to appear. However, two to three antennas are used as the number of transmit / receive terminals, and the bandwidth is not more than 40 MHz, and the transmission speed of several hundred mega-megabyte has become the limit channel capacity. Recently, Giga-class wireless communication in the VHT (Very High Throuhgput) task group As the research environment for the system is being created, it is necessary to design an ultra-high-capacity large-capacity DIF module structure capable of supporting such a modem technology. The present invention requires various signal processing techniques, including analog digital converters and digital analog converter technologies, ultrafast data signal processing technologies, and filter technologies.

본 발명은 직교 주파수 분할 변조 방식 및 다중 안테나를 이용한 기가급 고속 무선 통신 시스템을 위한 DIF (Digital Intermediate Frequency) 모듈 설계 및 검증 방법에 관한 것이다. 본 발명을 통해 고속 데이터 전송을 위한 다중 안테나 기술 적용시 다중 채널에 대한 신호 처리 및 주파수 효율을 높이기 위한 다중 대역 분할 기술을 신뢰성 높고 성능 좋게 하여 모뎀부에서 64-QAM (quadrature amplitude modulation) 과 같은 변조 방식을 사용 가능하도록 에러율 적게 하며, 최대의 데이터 처리 속도를 유지하는 것이 목표이다. 또한 이와 같은 초고속 인터페이스와 다중 채널 및 다중 밴드를 갖는 DIF 모듈을 효율적으로 검증할 수 있도록 구조 설계부터 검증 단계를 고려하여 설계하며 다양한 신호 분석 기법을 사용하여 짧은 기간안에 효율적으로 검증을 마치고자 한다. The present invention relates to a design and verification method of a digital intermediate frequency (DIF) module for a giga-class high-speed wireless communication system using an orthogonal frequency division modulation scheme and multiple antennas. Modulation such as 64-QAM (quadrature amplitude modulation) in the modem part by making the multi-band partitioning technology to improve the signal processing and the frequency efficiency of the multi-channel when applying the multi-antenna technology for high-speed data transmission with high reliability and performance The goal is to reduce the error rate to enable the method and to maintain maximum data throughput. In order to efficiently verify the DIF module with such a high speed interface and multi-channel and multi-band, it is designed from the structural design to the verification stage, and the various signal analysis techniques are used to complete the verification in a short time.

이러한 과제를 해결하기 위해 제안된 본 발명은 도 1과 같은 직교 주파수 분할 다중화 변조 방식과 다중 안테나를 갖는 고속 무선 통신 시스템에 있어서 주파수 사용 효율을 높이기 위한 밴드 확장을 적용한 DIF구조와 초고속 모듈을 이용하여 베이스 밴드 모듈과 DIF 모듈 간 연결 라인 수를 최소화한 고속 데이터 처리부, 다중 DIF 채널을 적용함으로써 모뎀의 다중 안테나 기술 지원하여 채널 용량 증가시키는 방법을 일 특징으로 한다.The present invention proposed to solve this problem by using a DIF structure and ultra-high speed module to which the band extension to improve the frequency usage efficiency in the high-speed wireless communication system having an orthogonal frequency division multiplexing modulation scheme as shown in FIG. A high-speed data processor that minimizes the number of connection lines between the baseband module and the DIF module and a method of increasing channel capacity by supporting multiple antenna technologies of a modem by applying multiple DIF channels.

또한, 본 발명은 도 2와 도 3과 같이 각각 다중 안테나를 갖는 기가급 고속 무선 통신 시스템 설계를 위한 베이스밴드 모듈과 DIF 모듈간 초고속 인터페이스 구조 설계 방법을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is another feature of the design method of the ultra-high speed interface structure between the baseband module and the DIF module for designing a giga-class high-speed wireless communication system having multiple antennas as shown in FIGS.

또한, 본 발명은 도 4와 같이 직교 주파수 분할 다중화 변조 방식과 다중 안테나를 갖는 고속 무선 통신 시스템에 있어서 최종 필터 데이터에 각 밴드별 출력을 합하여 원하는 밴드로 디지털 아나로그 컨버터를 통해 출력하고 정밀 조정을 통해 디지털 아나로그 컨버터의 출력되는 신호의 파워를 조정하는 방법을 다른 특징으로 한다. In addition, in the high-speed wireless communication system having an orthogonal frequency division multiplexing modulation scheme and multiple antennas as shown in FIG. 4, the final filter data is added to each band and output through a digital analog converter in a desired band, and fine adjustment is performed. Another method is to adjust the power of the output signal of the digital analog converter.

또한, 본 발명은 도 5와 도 6과 같이 다중 안테나를 이용한 기가급 무선 통신 시스템의 DIF 테스트를 위한 루프백 테스트용 보드 구성 및 Flash RAM을 통해 테스트 데이터를 생성하여 SRAM을 통해 전달하고 수신 DIF 출력을 MICTOR 커넥터로 수신하여 테스트 하는 방법을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention generates test data through the loop back test board configuration and Flash RAM for the DIF test of the giga-class wireless communication system using multiple antennas as shown in Figs. Another feature is the method of receiving and testing the MICTOR connector.

또한, 본 발명은 도 7과 같이 왜곡된 수신 신호를 보상하고, 복조하여 에러 값을 정량적인 수치로 계산해내고 보상되지 않은 옵셋의 종류와 정도를 수치적으로 계산해 내는 방법을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized by another method of compensating and demodulating the distorted received signal as shown in FIG. 7 to calculate the error value as a quantitative value and to numerically calculate the type and degree of the uncompensated offset.

다중 안테나 기술은 다수의 송수신안테나로 동시에 여러 스트리밍 신호를 송수신하여 전송 속도를 증가시킬 수 있으나, 복잡도가 현저히 증가하여 구현이 어렵다. 본 발명은 그동안 실시간 구현 하지 못했던 여덟개의 다중 안테나를 사용하여 동시에 여덟개의 스트리밍 신호를 송신하는 기술을 구현함으로써 전송속도를 획기적으로 크게 증가시켰다. 본 발명은 직교 주파수 분할 변조 방식 및 다중 안테나를 이용한 기가급 고속 무선 통신 시스템을 위한 DIF (Digital Intermediate Frequency) 모듈 설계 및 검증 방법에 관한 것이다. 발명된 시스템을 활용한 직교 주파수 변조 방식 및 다중 안테나 시스템을 적용하면 HD급 동영상과 고화질 콘텐츠를 가정이나 사무실, 대학 강의실 등에서 실시간 무선환경으로 활용할 수 있는 유비쿼터스 서비스가 실현 가능해 진다.Multi-antenna technology can increase the transmission rate by transmitting and receiving multiple streaming signals simultaneously with a plurality of transmission and reception antennas, but the complexity is significantly increased, difficult to implement. The present invention dramatically increases the transmission speed by implementing a technique of transmitting eight streaming signals simultaneously using eight multiple antennas, which have not been implemented in real time. The present invention relates to a design and verification method of a digital intermediate frequency (DIF) module for a giga-class high-speed wireless communication system using an orthogonal frequency division modulation scheme and multiple antennas. By applying the orthogonal frequency modulation method and the multi-antenna system using the invented system, the ubiquitous service that can utilize HD-quality video and high-definition content in a real-time wireless environment in home, office, and university classroom is realized.

[도 1]은 직교 주파수 분할 변조 방식 및 다중 안테나를 이용한 기가급 고속 무선 통신 시스템의 전체 구조를 블록 다이어그램으로 나타낸 것이다. 기가급 고속 무선 통신 시스템은 크게 네개의 레이어 구조로 구성되어 있다. 음성과 영상의 컨텐츠를 PC 혹은 가전 및 휴대용 영상 기기에 디스플레이하는 서버/어플리케이션부와 서버/어플리케이션으로부터 받은 데이터를 신호 처리하여 고속의 신뢰성있는 데 이터로 변복조하는 베이스밴드부, 베이스밴드의 디지털 신호를 받아 아나로그 변환하거나 RF부로부터 아나로그 신호를 받아 디지털 신호로 변환하는 DIF 부와 고주파 변복조를 담당하는 RF부로 구분할 수 있다. 여기서 베이스 밴드부는 음성 및 영상의 데이터를 통신 프로토콜에 따라 전송하기 위한 MAC (Medium Access Control)부, 데이터를 신뢰성있게 고속으로 신호처리 하기 위해 디지털 변복조를 수행하는 PHY부로 구분할 수 있다.1 is a block diagram showing the overall structure of a giga-class high-speed wireless communication system using an orthogonal frequency division modulation scheme and multiple antennas. Giga-class high-speed wireless communication system is composed of four layers. Server / application unit for displaying audio and video contents on PC or home appliances and portable video devices, and baseband unit for processing and demodulating data received from server / application to high-speed and reliable data, and receiving digital signals from baseband. It can be divided into a DIF unit which receives an analog signal or converts an analog signal from an RF unit into a digital signal, and an RF unit that is responsible for high frequency modulation and demodulation. The base band unit may be classified into a medium access control (MAC) unit for transmitting voice and video data according to a communication protocol, and a PHY unit performing digital modulation and demodulation to reliably and rapidly process data.

[도2]와 [도3]는 각각 다중 안테나를 갖는 기가급 고속 무선 통신 시스템 설계를 위한 베이스밴드 모듈과 DIF 모듈간 초고속 인터페이스 구조 설계 방법에 있어 송신단과 수신단 구조를 나타낸 것이다. 도2와 도3은 m개의 송신 안테나와 m개의 수신 안테나를 갖는 경우에 있어서 n개의 밴드로 나누어 DIF에서 낮은 클록으로 신호처리할 수 있도록 설계되었다. 예를 들어 고속의 데이터 전송을 위해 8개의 송신 안테나와 8개의 수신 안테나를 갖도록 하고 120MHz의 밴드폭을 갖도록 무선 통신 시스템을 설계한다면, 본 도면에서 m=8이고 n=3이 된다. 이 때 디지털 아나로그 컨버터를 12비트이고, 아나로그 디지털 컨버터가 14비트를 사용한다면, 송신단은 총 40MHz (동작속도) x 12bit x 2(I/Q) x 3(밴드) x 8 (안테나수) = 23.04 Gbps의 속도를 갖게 되며, 각 밴드별로 7.68 Gbps 급 전송 속도를 갖는다. 수신단은 총 40MHz (동작속도) x 14bit x 2(I/Q) x 3(밴드) x 8 (안테나수) = 26.88 Gbps의 속도를 갖게 되며, 각 밴드별로 8.96 Gbps 급 전송 속도를 갖는다.2 and 3 illustrate a structure of a transmitter and a receiver in a method for designing an ultrafast interface structure between a baseband module and a DIF module for designing a giga-class high-speed wireless communication system having multiple antennas, respectively. 2 and 3 are designed to be divided into n bands in the case of having m transmit antennas and m receive antennas so as to process signals with a low clock in DIF. For example, if a wireless communication system is designed to have eight transmit antennas and eight receive antennas for high-speed data transmission and a bandwidth of 120 MHz, m = 8 and n = 3 in this figure. At this time, if the digital analog converter is 12 bits and the analog digital converter uses 14 bits, the transmitter has a total of 40 MHz (operating speed) x 12 bits x 2 (I / Q) x 3 (band) x 8 (antenna number). It has a speed of 23.04 Gbps and a transmission rate of 7.68 Gbps for each band. The receiver has a total speed of 40MHz (operating speed) x 14bit x 2 (I / Q) x 3 (band) x 8 (antenna number) = 26.88 Gbps, and has a transmission rate of 8.96 Gbps for each band.

[도 4] FPGA는 내부에 40MHz 단위로 구성된 각 밴드의 주파수 변환 필터 유닛으로 나누어져 있다. 모뎀부를 통해서 복수 개 채널의 I, Q 40Mbps의 신호를 입력 받아 각 밴드에 대해서 단계별로 필터를 사용하여 주파수 변환 기능을 수행한다. 이때 최종 필터 데이터에 각 밴드별 출력을 합하여 원하는 밴드로 디지털 아나로그 컨버터를 통해 출력하고 정밀 조정을 통해 디지털 아나로그 컨버터의 출력되는 신호의 파워를 조정하는 방법 (도 4는 120MHz 밴드폭일 때 3개의 40 MHz 밴드로 나누어 베이스 밴드에서 처리하는 구조일 때 송신단의 필터 구조를 보여준다)4 is divided into a frequency conversion filter unit of each band configured in 40 MHz units. It receives I, Q 40Mbps signals of multiple channels through modem and performs frequency conversion function using filter for each band step by step. At this time, the output of each band is added to the final filter data and output through the digital analog converter to the desired band, and the power of the output signal of the digital analog converter is adjusted through fine adjustment (FIG. 4 shows three signals at 120 MHz bandwidth. Shows the filter structure of the transmitter when divided into 40 MHz band and processed in the base band.)

[도 5]와 [도6]은 다중 안테나를 이용한 기가급 무선 통신 시스템의 DIF 테스트를 위한 루프백 테스트용 보드 구성도이다. [도 5]과 [도6]은 각각 송신과 수신 DIF의 동작 및 성능 테스트를 위한 용도로 사용된다. 송신 DIF 보드 테스트는 Flash RAM을 통해 데스트 데이터를 저장하고 있다가 전원이 들어오면 SRAM을 통해 데이터를 전달한다. 수신 DIF 보드 테스트는 송신 DIF 보드 출력을 수신 DIF 보드의 입력에 연결하여 송신된 데이터를 수신하여 디지털 변환된 신호를 MICTOR 커넥터를 통해 로직 아날라이져로 관찰할 수 있게 된다.5 and 6 are block diagrams of a loopback test board for DIF testing of a giga-class wireless communication system using multiple antennas. 5 and 6 are used for the operation and performance testing of the transmit and receive DIFs, respectively. The transmit DIF board test stores the test data through Flash RAM and passes the data through SRAM when the power is turned on. The receive DIF board test connects the transmit DIF board output to the input of the receive DIF board to receive the transmitted data so that the digitally converted signal can be observed with the logic analyzer through the MICTOR connector.

[도 7]은 [도5]의 송신 신호를 [도6]에서처럼 MICTOR 커넥터를 통해 로직 아날라이져로 수신하여 PC 상에서 분석하는 방법을 도식화하였다. 텍스트 파일 (확장자 txt) 혹은 엑셀 파일 (확장자 csv)로 저장된 파일에는 송신 DIF 및 수신 DIF를 거쳐 디지털 신호로 변환된 신호가 저장되어 있다. 수신된 신호가 어느 정도 왜곡되었는지 판단하기 위해 단계적인 보상 알고리즘을 적용하여 최종적으로 보정된 신호의 에러값을 계산한다. 순서대로 설명하면 “Load” 단계에서는 저장된 수신 신호를 읽고, “dc cancel” 단계에서는 보드 상에서 발생한 DC를 보상한다. “I/Q mismatch compensation” 단계에서는 I channel 값을 기준으로 Q channel의 이득이나 페이즈 옵셋을 보상한다. “Frame sync” 단계에서는 짧은 프리엠블과 긴 프리엠블의 상관성으로 심볼 동기를 맞추고, “CFO correct” 단계에서는 긴 프리엠블로 구해진 페이즈 옵셋으로 주파수 옵셋을 보정하게 되고 “FFT” 단계에서는 주파수 영역 신호를 시간 영역 신호로 변환하고, “Phase correct” 단계에서는 파일럿 신호로 추정한 페이즈 옵셋을 보상한다. “Channel Equalization” 단계에서는 긴 프리엠블로 추정한 채널 추정치로 데이터를 등화하여 채널로 인해 왜곡된 신호를 보상하고, “Demapping” 단계에서는 변조 신호 모드에 따라 원래의 비트열로 복원하게 된다. “Characterization” 단계에서는 신호의 왜곡 정도를 EVM (Error Vector Magnitude)로 계산하여 이상적인 신호로부터 벗어난 정도를 평균하여 출력하게 된다. 또한 Eigen Value Spread 값을 긴 프리엠블을 이용한 채널 예측 결과로 구할 수 있다. 이 Eigen Value Spread 값으로 다중 안테나 배열의 상관성을 알 수 있다. 그 밖에 모뎀 알고리즘으로 보상을 했는데도 보상되지 않은 옵셋의 정도도 추정할 수 있다.FIG. 7 illustrates a method of receiving a transmission signal of FIG. 5 through a MICTOR connector to a logic analyzer and analyzing it on a PC as shown in FIG. In the file stored as a text file (extension txt) or an Excel file (extension csv), a signal converted into a digital signal through a transmission DIF and a reception DIF is stored. In order to determine how much the received signal is distorted, a stepwise compensation algorithm is applied to calculate an error value of the finally corrected signal. In order, the “Load” step reads the stored received signal and the “dc cancel” step compensates for the DC on the board. In the “I / Q mismatch compensation” step, the Q channel gain or phase offset is compensated based on the I channel value. In the “Frame sync” phase, the symbol synchronization is synchronized by the correlation of the short preamble and the long preamble. In the “CFO correct” phase, the frequency offset is corrected by the phase offset obtained by the long preamble. In the “FFT” phase, the frequency domain signal is adjusted. It converts to a time domain signal and compensates for the phase offset estimated by the pilot signal in the phase correct phase. In the “Channel Equalization” step, the data is equalized with the channel estimate estimated by the long preamble to compensate for the distorted signal due to the channel. In the “Demapping” step, the original bit string is restored according to the modulation signal mode. In the “Characterization” step, the distortion level of the signal is calculated by EVM (Error Vector Magnitude), and the average deviation from the ideal signal is output. In addition, the Eigen Value Spread value can be obtained as a channel prediction result using a long preamble. This Eigen Value Spread value shows the correlation of multiple antenna arrays. You can also estimate the amount of offset that is not compensated for even though it is compensated by the modem algorithm.

[도 8]은 수신한 신호의 전체적인 형태 및 복원 결과를 보여준다. Fig1은 시 간 영역에서 I 채널과 Q 채널의 크기를 보여준다. Fig2는 복소 신호의 전력 밀도를 보여준다. Fig3는 최종적으로 복원된 신호의 컨스털레이션을 보여준다. 결과적으로 송수신단의 왜곡에 의해 -29dB의 EVM 성능을 가짐을 알 수 있다. Fig4에서는 채널 추정용 긴 프리엠블로 구해진 채널 추정치를 보여준다. 도 9에서는 신호대 잡음비의 분석 결과를 보여준다. Fig5는 각 수신 안테나 별 EVM의 분포도를 나타내고 있으며 예로 8개의 다중 안테나의 경우를 보여준다. Fig6은 특정 한 안테나의 심볼 별 EVM 값을 보여준다. Fig7은 주파수 영역에서 신호대 잡음비를 보여준다. Fig8은 시간 영역에서 신호대 잡음비를 보여준다. 도 10에서는 심볼 동기를 위한 프리엠블의 상관성을 보여준다. Fig9는 짧은 프리엠블의 상관성, Fig10은 긴 프리엠블의 상관성을 보여주며, Fig11은 짧은 프리엠블과 긴 프리엠블 각각의 상관성의 곱을 보여준다. 이 때 동기는 가장 큰 값을 갖는 점에서 이루어진다. 도 11은 캐리어 페이즈 (Fig12), 샘플링 페이즈 (Fig13), 엠플리튜드 (Fig14), 캐리어 주파수 옵셋 (Fig15)에 대한 추정치를 보여준다. 이와 같이 송신 신호의 변조 과정에서 발생할 수 있는 에러와 수신 신호의 복조 과정에서 발생할 수 있는 에러, 아나로그 디지털 변환 및 디지털 아나로그 변환 과정에서 발생할 수 있는 양자화 잡음, 샘플링 페이즈 노이즈를 정량적인 값으로 구하고 보상함으로써 추후 모뎀과 연동했을 때 보상할 수 있는 정도까지 검증 및 디버깅이 가능해진다.8 shows the overall shape of the received signal and the restoration result. Figure 1 shows the magnitudes of the I and Q channels in the time domain. Figure 2 shows the power density of the complex signal. Figure 3 shows the constellation of the finally reconstructed signal. As a result, it can be seen that the EVM performance of -29dB is caused by the distortion of the transceiver. Fig. 4 shows the channel estimate obtained with the long preamble for channel estimation. 9 shows the analysis result of the signal-to-noise ratio. Fig. 5 shows the distribution of EVM for each receiving antenna. For example, eight multi-antennas are shown. Fig. 6 shows the symbol-specific EVM values for a particular antenna. Fig. 7 shows the signal-to-noise ratio in the frequency domain. Fig. 8 shows the signal-to-noise ratio in the time domain. 10 shows the correlation of preambles for symbol synchronization. Fig. 9 shows the correlation of the short preambles, Fig. 10 shows the correlation of the long preambles, and Fig. 11 shows the product of the correlations between the short preambles and the long preambles. At this point, synchronization occurs at the point with the largest value. FIG. 11 shows estimates for carrier phase (Fig 12), sampling phase (Fig 13), amplitude (Fig 14) and carrier frequency offset (Fig 15). In this way, the error that occurs during the modulation of the transmission signal and the error that may occur during the demodulation of the received signal, the quantization noise that may occur during the analog digital conversion and the digital analog conversion, and the sampling phase noise are obtained as quantitative values. Compensation allows verification and debugging to a degree that can be compensated for later in conjunction with the modem.

본 발명은 직교 주파수 분할 변조 방식 및 다중 안테나를 이용한 기가급 고속 무선 통신 시스템을 위한 DIF (Digital Intermediate Frequency) 모듈 설계 및 검증 방법에 관한 것이다. 기존의 논문이나 다중 안테나를 이용한 무선 통신 이론 연구가 수백 메가 비트 퍼 세컨드 (bps : bit per second)의 전송 속도를 목표로 하는 다중 안테나 시스템이 주로 4개 이하의 안테나를 사용하며 40MHz 밴드폭을 갖도록 설계된 반면에, 기가급 무선 통신 시스템은 8개 이상의 안테나를 사용하며 여러 개의 40MHz 밴드폭을 DIF에서 합치고 분리하는 역할을 함으로써 베이스 밴드에서는 분리된 40MHz 밴드폭의 데이터를 처리하고 RF에서는 통합된 40MHz 배수(예 : 80MHz, 120MHz 등)의 밴드폭으로 데이터를 전송하는 방식을 사용한다. 또한 베이스 밴드의 칩간 핀수를 줄이고 신뢰성 높은 데이터 전송을 위해 DIF 와 베이스밴드 칩간에는 수십기가의 초고속 인터페이스를 사용한다. 기가급 고속 무선 통신 시스템은 크게 네개의 레이어 구조로 구성되어 있다. 음성과 영상의 컨텐츠를 PC 혹은 가전 및 휴대용 영상 기기에 디스플레이하는 서버/어플리케이션부와 서버/어플리케이션으로부터 받은 데이터를 신호 처리하여 고속의 신뢰성있는 데이터로 변복조하는 베이스밴드부, 베이스밴드의 디지털 신호를 받아 아나로그 변환하거나 RF부로부터 아나로그 신호를 받아 디지털 신호로 변환하는 DIF 부와 고주파 변복조를 담당하는 RF부로 구분할 수 있다. 여기서 베이스 밴드부는 음성 및 영상의 데이터를 통신 프로토콜에 따라 전송하기 위한 MAC (Medium Access Control)부, 데이터를 신뢰성있게 고속으로 신호처리 하기 위해 디지털 변복조를 수행하는 PHY부로 구분할 수 있다. 전체 시스템의 신호 흐름은 유선 네트워크를 통해 서버에서 고속의 데이터를 전달받아 MAC에서 프로토콜에 맞는 형태로 헤더를 생성하여 데이터 앞에 붙이고, 에러체크를 위한 오류부호체크 코드도 데이터 뒤에 붙인다. 이와 같이 헤더와 오류체크 코드가 붙은 맥 프레임은 PHY 송신부로 전달되고, PAPR에 의한 에러를 줄이기 위해 데이터 패턴을 섞는 스크램블링부, PHY에서는 채널에서 발생하는 에러를 복원하기 위한 채널 코딩부, 연속된 에러에대한 에러를 줄이기위한 인터리빙부, 고속의 효율적인 데이터 전송을 위한 IFFT부, 데이터 전송 속도를 올리기 위한 변조부를 지나 필터링하여 Digital IF부로 전달하게 되고 Digital IF에서는 IF단으로 베이스밴드 신호를 변조하여 RF 단으로 신호를 전달한다. (예를 들어 120MHz 밴드 폭을 갖는 신호의 경우 80MHz의 IF단으로 올려서 RF단으로 신호를 전달한다) RF단에서는 신호를 전달받아 고주파 대역으로 변조하여 안테나로 전달한다. 수신단에서는 안테나를 통해 입력된 신호를 RF 수신부에서 베이스밴드로 다운 컨버젼하게 되고, 이 때 수신단 RF 구조를 간단하게 하기 위해 IF를 거치지 않고 다이렉트 컨버젼 방식으로 베이스 밴드로 신호 변조한다. 수신단 Digital IF 단에서 40MHz 밴드의 배수로 들어온 신호를 분리하여 복수개의 40MHz 밴드로 만들어 독립된 PHY 경로로 전달하여 이득 조절 및 동기 과정을 담당하는 디지털 프론트 엔드단을 거쳐서 FFT 블록을 경유하여 신호를 검출하고 디코딩한 후 채널 부호화된 신호를 복호한다. 하드웨어에서 오류부호 검출기를 통해 오류가 아님을 알게되면 MAC에서 메모리에 저장하여 헤더의 정보를 추출한 뒤 에플리케이션으로 보내서 영상의 경우 화면에 출력하고 음성의 경우 스피커로 출력하게 된다. The present invention relates to a design and verification method of a digital intermediate frequency (DIF) module for a giga-class high-speed wireless communication system using an orthogonal frequency division modulation scheme and multiple antennas. In previous papers or studies on the theory of wireless communication using multiple antennas, a multi-antenna system aiming at a transmission rate of hundreds of megabits per second (bps) has a bandwidth of 40 MHz and mainly uses four or less antennas. While designed, the Giga-class wireless communication system uses more than eight antennas and combines and separates multiple 40 MHz bandwidths at the DIF, processing data at 40 MHz bandwidth separated in the baseband and an integrated 40 MHz multiple at RF. (E.g., 80MHz, 120MHz, etc.) is used to transmit data in the bandwidth. It also uses dozens of high-speed interfaces between the DIF and the baseband chip to reduce the baseband pin-to-chip pin count and ensure reliable data transfer. Giga-class high-speed wireless communication system is composed of four layers. The server / application unit that displays audio and video contents on a PC or home appliances and portable video devices, and the baseband unit that receives and processes the data received from the server / application and converts and demodulates it into high-speed, reliable data. It can be divided into a DIF unit for log-converting or receiving an analog signal from an RF unit and converting it into a digital signal and an RF unit for high frequency modulation and demodulation. The base band unit may be classified into a medium access control (MAC) unit for transmitting voice and video data according to a communication protocol, and a PHY unit performing digital modulation and demodulation to reliably and rapidly process data. The signal flow of the entire system receives high-speed data from the server through the wired network, generates headers in the MAC format for protocols, attaches them to the front of the data, and attaches error code check codes for error checking. The MAC frame with the header and the error check code is transmitted to the PHY transmitter, and the scrambling unit mixes the data pattern to reduce the error caused by the PAPR, the channel coding unit for restoring the error occurring in the channel, and the continuous error in the PHY. The interleaving unit reduces the errors for the IF, the IFFT unit for high-speed and efficient data transmission, and the modulator unit to increase the data transmission rate. The filter is then passed to the digital IF unit. To signal. (For example, a signal with a 120MHz band width is raised to an 80MHz IF stage to deliver a signal to the RF stage.) The RF stage receives the signal and modulates it to a high frequency band and delivers it to the antenna. The receiving end down-converts the signal input through the antenna from the RF receiving unit to the baseband. At this time, in order to simplify the receiving RF structure, the receiving end modulates the signal into the baseband by a direct conversion method without passing through the IF. Detect and decode the signal through the FFT block through the digital front end, which handles gain adjustment and synchronization by separating the signal coming in multiples of 40MHz band from the receiving digital IF stage and making it into a plurality of 40MHz bands. The channel coded signal is then decoded. When the hardware finds that the error code is not an error, the MAC stores it in memory, extracts the header information, sends it to the application, and outputs it to the screen for video and audio for the speaker.

송신부는 모뎀 보드로부터 저속의 동작 주파수를 갖는 (예 : 40MHz) 송신 m개의 채널 I와 Q 데이터를 LVTTL형식으로 입력 받아서 초고속 인터페이스 보드를 통하여 송신DIF 보드로 초고속 케이블을 거쳐 전달된다. 이 때 송신 DIF에 입력 된 데이터는 각 밴드에 해당 되는 필터, 복소수 변조, 이득 조절 등의 신호 처리를 하여 디지털 아나로그 변조기 (DAC : Digital Analog Converter)를 통해 아나로그 신호로 변환되어 출력된다.The transmitter receives m channel I and Q data with low operating frequency (eg 40MHz) from the modem board in LVTTL format, and transmits them through the high speed cable to the transmitting DIF board through the high speed interface board. At this time, the data input to the transmitting DIF is converted into an analog signal through a digital analog modulator (DAC) by performing signal processing such as filter, complex modulation, and gain control corresponding to each band.

수신부는 RF 모듈로부터 전달받은 아나로그 기저 대역 신호를 아나로그 디지털 변조기 (ADC : Analog Digital Converter)를 통과하여 디지털 신호로 변조된 신호를 수신 DIF 보드에서 입력 받아 각 밴드 데이터를 필터, NCO 변조, 이득 조정 등의 신호 처리를 한다. 최종 신호 처리된 데이터를 초고속 인터페이스 보드에서 모뎀으로 초고속 케이블을 통해 전달된다. 이 때 전달된 초고속 데이터를 모뎀에 장착된 초고속 인터페이스 보드를 통해 저속의 동작주파수를 갖는 m 채널 I와 Q 채널로 전달된다.The receiver receives the analog baseband signal received from the RF module through an analog digital converter (ADC) and receives the signal modulated into a digital signal from the receiving DIF board. Filters each band data to filter, NCO modulation, and gain. Signal processing such as adjustment is performed. The final signaled data is transferred from the high speed interface board to the modem via a high speed cable. At this time, the transmitted high-speed data is transferred to the m channel I and Q channels having a low operating frequency through the high speed interface board mounted in the modem.

도1 직교 주파수 분할 변조 방식 및 다중 안테나를 이용한 기가급 고속 무선 통신 시스템의 전체 구조를 블록 다이어그램으로 나타낸 것이다. 1 is a block diagram showing the overall structure of a giga-class high-speed wireless communication system using an orthogonal frequency division modulation scheme and multiple antennas.

Claims (5)

도 1과 같은 직교 주파수 분할 다중화 변조 방식과 다중 안테나를 갖는 고속 무선 통신 시스템에 있어서 주파수 사용 효율을 높이기 위한 밴드 확장을 적용한 DIF구조와 초고속 모듈을 이용하여 베이스 밴드 모듈과 DIF 모듈 간 연결 라인 수를 최소화한 고속 데이터 처리부, 다중 DIF 채널을 적용함으로써 모뎀의 다중 안테나 기술 지원하여 채널 용량 증가시키는 방법.In the high-speed wireless communication system having an orthogonal frequency division multiplexing modulation scheme and multiple antennas as shown in FIG. A method of increasing channel capacity by supporting multiple antenna technology of a modem by applying a high speed data processor and multiple DIF channels. 도 2와 도 3과 같이 각각 다중 안테나를 갖는 기가급 고속 무선 통신 시스템 설계를 위한 베이스밴드 모듈과 DIF 모듈간 초고속 인터페이스 구조 설계 방법. 2 and 3, a method for designing an ultrafast interface structure between a baseband module and a DIF module for designing a giga-class high-speed wireless communication system having multiple antennas as shown in FIGS. 도 4와 같이 직교 주파수 분할 다중화 변조 방식과 다중 안테나를 갖는 고속 무선 통신 시스템에 있어서 최종 필터 데이터에 각 밴드별 출력을 합하여 원하는 밴드로 디지털 아나로그 컨버터를 통해 출력하고 정밀 조정을 통해 디지털 아나로그 컨버터의 출력되는 신호의 파워를 조정하는 방법. In the high-speed wireless communication system having an orthogonal frequency division multiplexing modulation scheme and multiple antennas as shown in FIG. 4, the output of each band is added to the final filter data and output through a digital analog converter in a desired band, and the digital analog converter through fine adjustment. How to adjust the power of the output signal. 도 5와 도 6과 같이 다중 안테나를 이용한 기가급 무선 통신 시스템의 DIF 테스트를 위한 루프백 테스트용 보드 구성 및 Flash RAM을 통해 테스트 데이터를 생성하여 SRAM을 통해 전달하고 수신 DIF 출력을 MICTOR 커넥터로 수신하여 테스트 하는 방법.As shown in FIGS. 5 and 6, a loopback test board configuration for a DIF test using a multiple antenna and a test data are generated through a flash RAM and transmitted through an SRAM, and a receive DIF output is received through a MICTOR connector. How to test. 도 7과 같이 왜곡된 수신 신호를 보상하고, 복조하여 에러 값을 정량적인 수치로 계산해내고 보상되지 않은 옵셋의 종류와 정도를 수치적으로 계산해 내는 방법.A method of compensating and demodulating a distorted received signal as shown in FIG. 7 to calculate an error value quantitatively and numerically calculating the type and degree of an uncompensated offset.
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